机械机构分类及其发展

机械机构分类及其发展

0 引言

产品原理方案设计是产品开发的第一阶段,也即概念设计阶段。其主要任务是根据市场需求,确定产品的功能作用原理,以及实现功能的结构载体,因此现代机械工业的高速发展,就要求我们使机构设计变得多样化。这无疑对机构类型综合理论与机构创新设计方法研究具有重要的理论意义，也是对工程实际中的产品设计具有重要的指导意义。

关键字：机构类型机械工业展望创新设计

1 背景

由于第一次工业革命,机构学在世纪逐步形成,世纪得到迅速发展,使机构学的研究内容有了很大深化。机构的分析和综合方法向高精度、高速度、可视化方向发展,新的机构动力学建模技术和综合方法不断涌现。通过广泛应用电子计算机,大量引进各种数学计算方法使得机构分析与综合的方法和手段大为改进,再加上机械设计科学与计算机科学、微电子科学、材料科学、软科学、自动化技术、人工智能技术等多种学科的迅速融合、交叉与补充渗透,大大拓宽了机构学的研究面,并涌现出许多新的机构学分支[1-3]。在此基础上,突破了机构学的一些传统观念,传统意义上的机器和机构的概念已有很大的发展,“现代机械”概念的形成成为机构学发展的一个新的里程碑, 2分类

2.1机构分类

机构种类很多,应用范围广泛,为便于选择应用,根据其功能或类型来加以分类是很有必要的。传统分方法是将机构分为连杆机构、齿轮传动、链传动、带传动、凸轮机构、棘轮机构、螺旋机构等几大类,每一类又可按具体结构形式分为几小类,如齿轮机构可分为圆柱直齿传动、圆柱斜齿传动、圆锥齿轮传动等[4-5]。随着计算机辅助结构设计研究的深入,机构分类学成为机构学家研究的热点。Chironis搜集了大量传统的、现代的具有多种运动形式的装置,并根据它们的应用范围、作用原理进行分类。Molian 根据动力学性能建立了机构分类理论,未考虑各种机构的功能、动作和用途。他认为用途不是机构的本质性能,而包括平面、空间闭环、自由度的动力学性能是本质的[6]。

2.2功能机构

方案设计的早期阶段,由功能要求构思产品的工艺动作方案,明确实现产品功能的一系列连贯的运动传递关系,即产品零件之间的功能关系,而无须表达具体的传动机

构类型。零件之间的功能关系,就是指配合零件间的动力传递关系[7-8]。

任何传动机构的传动功能都可以用杠杆机构、斜面机构、摩擦轮机构或杠杆、斜面两者的复合机构等四种机构来抽象表达。我们称这种分类机构为功能机构。如杠杆机构称为功能杠杆机构,斜面机构称为功能斜面机构,杠杆、斜面两者的复合机构称为功能复合机构。这里,功能杠杆机构概含了传统的齿轮机构、链传动、棘轮机构;功能

斜面机构概含了传统的斜面传动、凸轮机构;功能摩擦轮机构概含了传统的摩擦轮传动、带传动;功能复合机构概含了传统的螺旋机构、非圆齿轮机构等。传统连杆机构为多件机构,无法用功能机构表达,基于分解重构理论[9]可分解为动力输入机架杆与连杆之间传动、连杆与动力输出连架杆间传动等两级传动,第1级传动可用功能杠杆机构表达,第2级可用功能斜面机构表达,在方案评价阶段优化目标允许的情况下,可以对以上两级传动重新组合,重构为连杆机构。

3 机构设计的展望及问题

制造业的灵魂是设计,而制造和被制造机械的灵魂是机构,所以现代机构学的理

论研究是制造业的基础,是现代机械产品发明创造的源泉,是提高国家制造业水平和

国际竞争能力的关键。

机构的创新是机械设计中永恒的主题,机构的创新设计,首先要解决的问题是机

构的方案创新设计。而机构方案设计是以完整的机构结构类型为前提的,即机构的类型综合是发明新机构或对现有机构进行重大改进过程中极为重要的一环[10]。

机构综合强调的是创造性构思、发明、创新设计新机构的理论与方法研究。机构的分析与综合是密切相关的,机构的综合要应用机构分析所得的结果,而机构分析的目的也是为了改进或设计出性能更为卓越的新机构[11-12]。

运动链的同构识别仍然是机构类型综合中的一个难题，目前虽然同构识别的方法多种多样,但还没有一种方法可以从理论上论证其完备性与唯一性。

机构类型综合方法是机构学中需要进一步研究课题，由于随着机构构件的增加,运动链类型数目会成几何级数递增,效率低下的综合方法在其综合过程中会导致大量同构运动链的出现[13-14]。

运动链简图与机构运动简图的自动绘制是机构进行可视化设计中一个重要问题。自动布图方面若存在不足,有时还需要人机交互才能完成令用户满意的图形[15]。

4 结语

目前各类机器中仍然广泛采用各种传统机构,随着机构应用范围的扩大和要求的提高,传统机构的分析和综合方法仍然需要深入研究。这些方法既需要满足实际应用的需要,又要易于在工程上采纳。积极研究机构方案创新设计的理论与自动创成方法,努力开拓各种机构的应用范围仍然是机构学研究者的紧迫任务。

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